Водоснабжение лунной базы для ста человек: расчеты ученых

Новости МирТесен

Новое исследование продемонстрировало, что даже без повторного использования воды возможно создание достаточно масштабной базы на южном полюсе Луны. Однако, это решение может повлечь за собой значительные последствия. К тому же, наиболее вероятный сценарий развития лунных баз не обязательно предполагает активное использование водных ресурсов на естественном спутнике Земли.

Американские ученые оценили объем потребляемой воды для крупной лунной базы, занимающей площадь в пять гектаров и рассчитанной на 100 человек. В отличие от стандартных подходов к подобным расчетам, они не учитывали повторную переработку воды и проводили оценку, предполагая постоянный сброс использованных водных ресурсов. С текстом работы можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета.

Идеи создания лунных баз обсуждались еще в 1950-1960-х годах, однако они представляли собой довольно простые конструкции. Так, советский проект лунной базы «Звезда», разработанный в 60-х годах, включал в себя девять модулей объемом 73 кубометра каждый (что составляло около 660 кубометров) для размещения 12 человек. Таким образом, по объему база уступала бы современной Международной космической станции, но при этом была рассчитана на большее количество людей. Задуманный проект предусматривал использование воды в замкнутом цикле, поскольку тогда полагалось, что Луна практически лишена водных ресурсов.

В XXI веке сначала возникла гипотеза о наличии на Луне значительных запасов воды в форме льда, а впоследствии появились и фактические данные (в частности, радарные), подтверждающие, что на полюсах спутника Земли находится водный лед. Это позволило сделать вывод об отсутствии необходимости в строгой экономии водных ресурсов. К тому же, существенные залежи водного льда открывают возможность для создания на Селене более масштабных баз, чем предполагалось пятьдесят лет назад.

Согласно новой работе американских ученых, водоснабжение базы, размеры которой составляют 500 на 100 метров, рассчитано на 100 человек. При проведении оценки авторы намеренно не включили в расчеты ни повторное использование воды, ни ее экономию. Вместо этого они использовали данные о среднем потреблении воды американским домохозяйством (375 литров на человека в день) для определения требуемого объема воды на одного человека. По мнению исследователей, большая часть потребляемой воды будет использоваться для сельскохозяйственных нужд, в частности, для теплиц с растениями, что необходимо для обеспечения устойчивости колонии.

Новые расчеты показывают, что наиболее эффективным способом извлечения воды из лунного льда является использование автоматизированных «тепловых буров», потребляющих по 10 киловатт энергии. Для выполнения этой задачи потребуется приблизительно 6,5 тысячи таких буров.

Отсутствие атмосферы на Луне приводит к тому, что лед, находящийся под слоем реголита, при нагревании немедленно испаряется. Чтобы собрать его, ученые предлагают использовать специальный тент, который натягивается над зоной бурения, где тепловые буры нагревают реголит. Образовавшийся водяной пар по трубам транспортируется от тента в цистерну, где он конденсируется в жидкую воду.

После этого исследователи изучили потребление воды базой. Выяснилось, что даже если весь кислород для дыхания будет производиться не из теплиц, а посредством электролиза лунной воды, это потребует всего лишь 0,3% от общего объема потребляемой воды. Значительно больше воды придется использовать для нужд теплиц. Ученые рассчитали, что для обеспечения людей потребуется 370 квадратных метров площади на человека. Эти данные основаны на производительности сельскохозяйственных теплиц на Земле.

Существуют обоснованные сомнения относительно расчетов, проведенных в ходе эксперимента БИОС-3 в СССР в 1970-х годах установили, по расчетам, для поддержания жизни одного человека, обеспечивающего его кислородом и продовольствием, требуется менее 150 квадратных метров.

По оценкам ученых, база нуждается в 105 тысяч тонн воды ежегодно, что вполне возможно извлечь из лунного льда при наличии источников тепла мощностью 65 мегаватт. Это сравнительно небольшая величина, поскольку тепловая мощность одного российского ледокольного реактора значительно выше. При этом, сам источник такого тепла в рассматриваемой работе не анализируется. Более того, исследователи планируют обеспечивать базу энергией, используя солнечное излучение.

В связи с этим, было принято решение о размещении базы в районе хребта Шеклтон-де-Герлах, который расположен практически на южном полюсе. Вершина гребня почти постоянно освещается солнцем, в то время как вокруг простираются области вечной тени, где температура грунта составляет приблизительно минус 250 градусов. Специалисты считают целесообразным размещать солнечные батареи на возвышенности и извлекать водный лед в низине.

В научной работе присутствуют некоторые особенности, которые не всегда очевидны. К примеру, суммарный объем помещения (включая непрофильные зоны) может быть весьма значительным, достигая 300 тысяч кубометров. Подобный масштаб пространства избыточен для работы команды из 100 человек.

Вопрос вызывает и сама концепция лунной базы, расположенной на поверхности. В настоящее время высадку на Луну планируют осуществить с использованием только одной посадочной системы – Starship Илона Маска. Ее герметичный объем достигает примерно 900 кубометров, что превышает показатели МКС или советской лунной базы проекта «Звезда». Каждый Starship способен вместить до 40 человек во время длительного полета. Для размещения ста сотрудников персонала куда целесообразнее высадить у южного полюса Луны несколько таких кораблей, учитывая, что их серийная стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов, что является относительно небольшой суммой. А не возводить там базу колоссальных масштабов с общими габаритами, перекрывающими 300 тысяч кубометров.

По данным, полученным на основе опыта советского БИОС-3, для обеспечения людей кислородом и продуктами питания требуется 150 кубических метров герметичного пространства на человека, учитывая жилые и лабораторные зоны. Поэтому, даже для создания постоянной лунной базы на 100 человек, проще доставить 16 аппаратов Starship, чем возводить сооружения, сравнимые по размеру с многоэтажным зданием.

Предлагаемый подход к сбору воды с использованием тепловых буров под навесом представляется весьма перспективным. Обычно водный лед добывают, вырубая его из реголита, после чего его доставляют в места, где он будет растапливаться. Подобным образом добывают воду зимой в некоторых районах Якутии, поскольку в это время года другие методы затруднены из-за вечной мерзлоты).

Однако выполнение физической работы по вырубке водяного льда при температуре минус 250 градусов представляется достаточно сложной задачей. Автоматизированные космические аппараты, действующие без участия человека, как мы неоднократно писали, подобные механизмы не способны функционировать в условиях сложной работы на поверхности других небесных тел. Кроме того, астронавту потребуется значительное количество времени и сил для их эксплуатации. Использование тепла для таяния льда представляется более простым решением.